水力脉冲空化射流发生器配合PowerV防斜打快技术

2009年1月PETROLEUM　DRILLING　TECHNIQUESJan.,2009　

!“863”计划专栏#

水力脉冲空化射流发生器配合PowerV防斜打快技术

史怀忠1　李根生1　沈忠厚1　牛继磊

(11中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室,北京昌平　102249;21中国石油大学(华东)石油工程学院,山东东营　257061)

摘　要:高陡地层防斜打快一直是钻井界面临的技术难题,而PowerV系统应用于防斜打直既能保证井身质量又能钻压,但由于其成本高,制约了在现场的推广应用。为此,在风城1井进行了水力脉冲空化射流发生器配合PowerV防斜打直现场试验,结果表明,水力脉冲空化射流发生器配合PowerV系统既能有效控制井斜角,又能提高机械钻速,减少了PowerV系统的占用时间,降低了钻井成本。详细分析了水力脉冲空化射流发生器配合PowerV系统防斜打快的机理及现场试验情况。

关键词:水力脉冲;空化射流;机械钻速;风城1井中图分类号:TE249　　文献标识码:B　　文章编号:1001200(2009)0120014204

随着石油工业的发展,石油勘探的要求越来越高、难度越来越大,提高探井钻井速度已成为提高经济效益的方法之一。而高陡地层防斜打直一直是困扰钻井界的一个技术难题,在漫长的钻井实践过程中,钻井技术人员一直在探索有效的防斜打直技术。PowerV系统可实现为主动性防斜打直,能很好地解

力脉冲空化射流发生器产生压力脉动,可以在钻头

附近形成低压区,减少环空液柱压力对井底岩石的压持效应,其机理相当于欠平衡钻井,可以大幅提高钻井速度[12213]。但利用水力脉冲方法得到的低压仅局限在井底钻头附近区域,整个环空仍为超平衡,比欠平衡钻井更能保证井壁稳定性。与此同时,当压力脉冲产生时,由于压力降低在井底附近易产生空泡,在相同排量下,空化射流的冲击压力是连续射流滞止压力的816～12410倍,这将大大提高中低压射流的清岩、破岩能力。

水力脉冲空化射流发生器主要由上下母接头、本体、弹性挡圈、导流体、叶轮、叶轮轴、叶轮座、自激振荡喷嘴及自激振荡腔室等组成[14]。112　PowerV旋转导向系统[126,15]

PowerV是斯伦贝谢公司研制的一种旋转导向

决这一难题[126],但由于其成本高,制约了进一步推广应用。为此,笔者尝试水力脉冲空化射流发生器[7211]与PowerV系统配合使用,一方面通过PowerV来控制井斜角保证高陡地层的井身质量、钻压,另一方面通过水力脉冲空化射流发生器改变井底流场、岩石应力状况及减少压持效应来提高机械钻速,减少PowerV使用时间,从而降低钻井成本。

1　水力脉冲空化射流配合PowerV

防斜打快技术的机理

111　水力脉冲空化射流钻井技术

系统,是该公司PowerDrive旋转导向系统家族中

的一员,是在PowerDrive系统基础上发展起来的垂直井钻井系统。

水力脉冲空化射流钻井技术是水力脉冲和自振空化射流耦合的一种钻井新技术,通过水力脉冲空化射流发生器来实现,钻进时水力脉冲空化射流发生器安装于钻头上部,将流体的扰动作用和自振空化效应耦合,将进入钻头的常规连续流动调制成振动脉冲流动,在钻头喷嘴出口处形成脉冲空化射流,产生水力脉冲、空化冲蚀、瞬时负压3种效应。

水力脉冲空化射流一方面在钻头喷嘴出口形成脉冲射流,提高射流清岩破岩能力;另一方面由于水

收稿日期:2008207221;改回日期:2008210222

基金项目:国家高技术研究发展计划(“863”计划)项目“超深井

(编号:2006AA06A109)和教育部科技重大项目钻井技术研究”“高(编号:306003)部分研究内容压水射流提高深井钻速关键技术研究”

),男,1998年毕业于石油大学(华东)作者简介:史怀忠(1974—

机械设计及制造专业,中国石油大学(北京)油气井工程专业在读博士研究生,主要从事水力脉冲空化射流钻井技术方面研究工作。

联系电话:(010)733935

第37卷第1期　　　　　　　史怀忠等:水力脉冲空化射流发生器配合PowerV防斜打快技术・15・

钻进过程中,PowerV系统自动实现井下导向,对井底的实际方位并不关注。如果井斜角增大,PowerV系统可以很快自动确定出需要的工具面角,以便将井眼尽快导向到垂直方向。一旦井眼处于垂直方向,那么任何的井斜趋势都可以在井下得到自动修正,并不需要地面的任何干预。PowerV旋转导向系统主要由上端的电子控制部分、中间的加长短接、下端的机械部分3部分组成。113　水力脉冲空化射流配合PowerV防斜打快机理

图1　岩石破碎Mohr强度准则

e

的减小σ,He和σn形成的Mohr圆变大,超过岩石的破坏包络线,此时的岩石不经过施加外载荷即可能发eσ生破碎。即当井底出现负压pM时,n减小,岩石的

　　水力脉冲空化射流发生器配合PowerV防斜

打快是集水力脉冲空化射流钻井和PowerV钻压控制井斜角为一体的防斜打快组合。该组合一方面有利于岩屑的运移,大大减少形成岩屑床的机会,在保证井身质量的条件下可以采用较高钻压;另一方面在钻进过程中水力脉冲空化射流发生器将流体的扰动作用和自振空化效应耦合,将进入钻头的常规连续流动调制成振动脉冲流动,产生瞬时负压pM,使大量岩屑及时脱离井底、改变井底的流场、岩石受力状态,减少压持效应,提高清岩效率,共同达到防斜打快的目的。

11311　井底负压降低岩石的破碎强度

塑性和破碎强度也随之降低。在相同破碎载荷作用下,较低破碎强度状态下岩石的破碎效率提高。11312　负压脉冲促进岩屑及时脱离井底

假设井底岩石在钻头作用下,已经形成了某一骨架结构基本的岩屑,而岩屑尚未脱离岩石母体(如图2所示),此时该岩屑所受到的法向压持力即井底压力为pb;岩屑与母体间裂纹内流体的压力仍近似为地层的孔隙压力pp。若将整个的岩屑视为隔离体,在pb>pp的常规条件下,为了使岩屑脱离井底,则必须提供给岩屑一个最小水平载荷,该载荷以应力的形式可近似由摩擦定律近似给出:

(2)Ti=μ[(pb-pp)A+W]

式中,Ti为摩擦力,N;μ为岩屑与母体间的综合表面摩擦系数,大小与接触面的形状和钻井液流体的性质等因素有关;W为岩屑的重力,N;A为接触面积,m2。

井底岩石的受力为非均匀的三向压缩状态,假设井眼中井底压力为pb,地层孔隙压力为pp。则作用在井底表层岩石某点的有效主应力为:

eσn=pb-pp

eσH=σH-pp

(1)

eσh=σh-pp

eeσσ式中,n为法向有效应力,MPa;H为最大水平有

e

效应力,MPa;σh为最小水平有效应力,MPa。e

对于平衡压力钻井,σn理论上为零;对于常规

e

钻井,σ用当量密度表示,一般为0105～n

0110kg/L,并且随钻井液密度的增加而增加。两个

ee水平主应力σH和σh代表了井底岩石的骨架应力。

e

由式(1)可知,增加pb将使σ根据图1n增加。e

所示的岩石破碎Mohr强度准则,当σH不变时,随着

eee

σ最小主应力σn的增大,H和σn形成的Mohr圆变

图2　井底岩屑受力

小,对应的有效剪应力将低于破坏包络线,岩石变得

不容易破碎,即相当于岩石的塑性提高。所以σ,He越大,岩石的塑性越大,相当于岩石的破碎强度增高。

水力脉冲空化射流钻井过程中在井底产生瞬时负压pM,即减小pb,由式(1)可知,井底岩石的最小主

eee

应力σ当σn将减小。H不变时,随着最小主应力σn

μ值不同,采用同一种钻头和相采用的钻头不同,

同的钻井液钻进时,μ值相对固定,变化不大。式(2)说明,井底的压力pb越大,岩屑脱离井底所需的水平应力载荷越大,即压持效应越强,岩屑越不容易脱离岩石母体从而导致岩屑的重复破碎,钻速越低[16]。

水力脉冲空化射流钻井过程中在井底产生负压pM,在负压波持续时间内,井底岩屑所受的总压持力降低。由式(2)可知,岩屑脱离井底所需的横向载

・16・石　　油　　钻　　探　　技　　术　　　　　　　　　　　　　　2009年1月

荷相应降低。尤其当负压较强,满足(pb-pp)A+

W-pMA<0时,由式(2)和图3可知,此时与岩屑的具体表面形状无关,岩屑在井底的法向上所受的合力Ti向上,此时不但井底无“压持效应”,而且岩屑一旦产生就具有自动脱离井底岩石母体的趋势。

1100CD+<40614mm稳定器+浮阀+SlimPulse+

<40614mm稳定器+<22816mm钻铤+<20316mm

钻铤+<13917mm钻杆。钻井参数:钻压300kN,转速65r/min,泵压20MPa,排量50L/s。钻井液密度1119kg/L,黏度55s。

2　现场试验

风城1井位于克拉玛依市乌尔禾区准噶尔盆地西部隆起乌夏断裂带风南1井西二叠系佳木河组火山岩岩性圈闭,设计井深6350m,目的是了解佳木河组中下亚组火山岩体含油气性,发现二叠系新的勘探领域。该井井身结构及套程程序见表1。由于邻井在钻井过程中易发生井斜,且在钻进下夏子街组地层时机械钻速低,因此,风城1井在钻进下夏子街组地层时进行了水力脉冲空化射流配合PowerⅤ防斜打直试验。

表1　风城1井井身结构设计

开次一开二开三开四开

钻头直径/mm

66014406143111121519

水力脉冲空化射流发生器配合PowerV系统

防斜打直进尺34m,纯钻时间30136h,平均机械钻速1112m/h,而只采用PowerV防斜打直井段的平均机械钻速只有0194m/h。由此可以看出采用水力脉冲空化射流发生器配合PowerV防斜打直提高了机械钻速,即相对减少了PowerV系统的使用时间,降低了钻井成本。213　试验井段与邻井段各参数对比钻深/m

500310053006350

套管直径/mm

508103391734611244151771813917

套管下深/水泥浆返

m500100031005300

5100(回接)6350(尾管)

图3为风城1井二开钻至井深3009m时的钻压曲线。该井二开钻至井深2722110m时使用了PowerV系统。从图3可以看出,使用PowerV系统后在保证井身质量的同时可以钻压,最高钻压达到260kN,为防斜打快提供了重要条件。

高/m地面

1000200030005100

211　PowerV防斜打直井段(2885100～2975100m)

　　该井段采用<40614mmST537GK型钻头钻进,其喷嘴组合为<18mm+<16mm+<14mm。钻具组合为<40614mmPDC钻头+PD1100CD+<40614mm稳定器+浮阀+SlimPulse+<40614mm稳定器+<22816mm钻铤+<20316mm钻铤+<13917mm钻杆。钻井参数:钻压350kN,转速70r/min,泵压20MPa,排量50L/s。钻井液密度1119kg/L,黏度57s。

图3　钻压变化曲线

图4为风城1井二开采用水力脉冲空化射流发

生器配合PowerV防斜打快试验前后的钻时对比曲线。该井水力脉冲空化射流发生器配合PowerV防斜打快试验井段2976～3009m。从图4可以看出,水力脉冲空化射流发生器配合PowerV钻时明显减少,有很好的提速效果,水力脉冲空化射流发生器结构简单,成本低,寿命长,减少了PowerV系统使用时间,提高了效率,降低了钻井成本。

应用PowerV系统防斜打直共进尺91m,纯钻时间96176h,平均机械钻速0194m/h。212　水力脉冲空化射流发生器配合PowerV试验

该井在2976～3009m井段进行了水力脉冲空化射流发生器配合PowerV防斜打直试验。该井段采用<40614mmST517GK型PDC钻头钻进,其喷嘴组合为<18mm×3。钻具组合为<40614mmPDC钻头+<22816mm水力脉冲空化射流发生器+PD

图4　钻时对比曲线

第37卷第1期　　　　　　　史怀忠等:水力脉冲空化射流发生器配合PowerV防斜打快技术・17・

图5为风城1井二开以后井斜角变化曲线。该井钻至井深2722110m时使用了PowerV系统,钻至井深2976100m时,开始水力脉冲空化射流发生器配合PowerV防斜打快试验。从图5可以看出,PowerV系统有很好的防斜打直效果,与水力脉冲

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3　结论及建议

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2)建议多区块、多组合、多工况进行现场试验,对水力脉冲空化射流发生器配合PowerⅤ系统的适用性进行验证。

参　考　文　献

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ApplicationofHydraulicPulsation2CavitatingGenerator

WithPowerVSysteminWellFengcheng1

ShiHuaizhong1　LiGensheng1　ShenZhonghou1　NiuJilei2

(1.StateKeyLaboratoryofPetroleumResourceandProspecting,ChinaUniversityofPetroleum,Changping,Beijing,102249,China;2.SchoolofPetroleumEngineering,ChinaUniversityofPetrole2um,Dongying,Shandong,257062,China)

Abstract:Deflectioncontrolanddrillingfleetlyinhighdipformationisachallengeindrillingfield.PowerVtechnologyprovidesabetterdeflectioncontrollingandensureswellqualityeffectively.Itsappli2cationwasrestrictedduetoitshighcost.Thedeflectioncontrolling&drillingfleetlyofhydraulicpulsa2tion2cavitatinggeneratorwithPowerVsystemwastestedinWellFengcheng1.Theresultsindicatethathydraulicpulsation2cavitatinggeneratorcanhelpPowerVtechnologyincontrollingwelldeflection,impro2vingdrillingrate,reducingthetimeofusingPowerVthereforethecost.Theapplicationofhydraulicpul2sation2cavitatinggeneratorwithPowerVwasintroducedindetail.

Keywords:hydraulicpulse;cavitatingjet;drillingrate;WellFengcheng1